--IEEE 1588以太網授時（timing-over-Ethernet）標準的智能化實現，

可削減創建符合4G網絡嚴格計時精度要求的、基于IP蜂窩回傳鏈路的成本。--

引言

LTE/4G蜂窩技術的嚴苛時頻要求，給微/微微/毫微微蜂窩基站交換機、路由器以及其他用于所謂小蜂窩網絡（圖1）設備的基于以太網的回傳連接帶來了特殊的設計挑戰。服務供應商計劃部署微/微微蜂窩基站來提高覆蓋及其4G/LTE網絡的容量。類似于宏基站，這些基站需要頻率和相位兩項指標，或精確計取時間（time-of-day）、時間同步。但是，傳統上用來提供4G/LTE網絡所需頻率和授時信號的GPS信號，已經給小蜂窩模式帶來了技術和成本挑戰。首要問題是室內和擁擠的城市峽谷中GPS信號的可獲得性，而微/微微蜂窩這類基站都將部署在這些地方。IEEE 1588v2精確授時協議（PTP或1588）提供了一種理想的替代方案。特別是，本文將討論一種在很大程度上依賴于透明時鐘（TC）節點的網絡計時架構，如何用來減少在整個蜂窩系統的基于分組數據技術的回程網絡上，降低維持精確授時所需硬件的成本和復雜性。

圖1：小蜂窩網絡通常用于在密集的、復雜的城市環境中擴大4G/LTE網絡的覆蓋范圍，或者提供可靠的樓內服務。在小蜂窩回傳網絡中常見的微波鏈路和復雜的拓撲結構，給滿足LTE/LTE-A系統嚴苛的計時要求增加了挑戰。

PTP 101

1588標準提供了一種基于分組數據包的授時和同步機制，并且非常適合于新興的基于分組數據技術的回傳網絡。它建立在同步以太網技術之上，這種技術為分組數據世界帶來了頻率同步，但沒有提供LTE和LTE-Advanced（LTE-A）所需的、必要的計時時間同步。PTP在數據包內直接攜帶了計時信息（也稱為時間戳）。攜帶時間戳的數據包，連同來自生成時間戳（也稱為主基準時鐘）的網絡設備的剩余網絡數據流量直達基站設備，其中的這些時間戳采用1588標準來恢復原始時間。

主基準時鐘和恢復時鐘之間的差異（如同步誤差）必須在指定的精度要求范圍內，這取決于網絡的類型。但應該注意的是網絡路徑上同步誤差是不斷累積的，包括從生成主時鐘的網絡節點到增加計時誤差的基站之間的每個節點。

圖2：通過一系列時間戳信息來計算主/從時鐘之間的傳播延遲，IEEE 1588v2精確授時協議（PTP）估算出了從時鐘的時間。但是，分組網絡可能出現大數值的數據包延遲變量（PDV），如果不進行糾正，可能引入授時的不準確性。

時間就是一切

TD-LTE、LTE-A及其他先進蜂窩移動通信技術只允許在其基站及其他網絡單元之間存在極小的時間同步誤差，以提供基站之間的無干擾寬帶多媒體和無縫切換。例如，LTE-A網絡只能容許兩個相鄰基站之間最多為500ns的相位誤差值。以下表格說明了網絡內不同移動通信技術空中接口的頻率和相位精度要求（圖3）。

圖3：每個新的先進蜂窩技術代系都要求更高的計時精度，其網絡節點之間必須這樣的精度

對于許多較新的移動通信技術，同步是一個嚴重影響吞吐量的參數。雖然圖3顯示出了最低要求，但應當指出，實現更高的時間/相位和頻率精度可帶來性能/吞吐量的總體改善。這也導致了更高的系統和網絡裕度，可以很容易地適應剩余鏈路或系統損傷（impairment）。在實際的蜂窩系統中，這部分同步預算被RF鏈路的延遲變量及其他固有的時同變量消耗了，例如光纖鏈路中的那些變量。另一部分同步預算則被用來對抗城市峽谷和室內環境中的多徑反射和噪聲影響的干擾抑制技術消耗了，小蜂窩網絡往往用于這些地方。因此，雖然我們必須讓微波和毫米波回傳鏈路留有100ns的最大時間誤差，但對于光纖連接的路由器、交換機和網關，以及留給基站/蜂窩網絡本身的時間誤差預算，應該保持在每一跳（per hop）10ns的數量級上，以保持在LTE-A空中接口的精度范圍內。

一個采用1588協議的網絡是提供納秒級的精確同步，需要通過一個預先定義的時鐘分層結構來管理網絡中的PDV和非對稱組件。該標準定義了邊界時鐘（BC）以及透明時鐘（TC）。一個實現了BC的節點有多個網絡連接，并能準確地從一個網段到另一個網段橋接同步。它也可以基于它接收到的時間戳重新生成計時。除了時間戳，BC也需要時間戳糾錯、一個可靠的PDV濾波算法，以及一個可以與網絡同步的可感知1588的復數生成。其結果是，實施一個BC節點需要一個高度精確的振蕩器、一個數字鎖相環，以及微處理器和元件，因而使其在實現時通常更加昂貴復雜。與此相反，一個TC節點只有在它糾正了可能引入的所有錯誤之后，簡單地轉發傳入的時間戳。如果所提供的設備符合1588標準（即它已增加了支持PTP準確時間戳和時間戳糾錯機制所需的邏輯），TC的實施成本較低，并且可以簡便地重用它在數據通路中遇到的PHY或交換。事實上，這種基于端口的PHY解決方案完全足以實現一個高度精確的TC節點。運營商可以部署TC和BC的組合，其中的最佳解決方案可能是位于網絡互連點的BC和位于后面枝干和環的TC的一個組合。在室內環境中，建筑物屋頂上的GPS天線可以為中心單元（類似于宏基站）進行授時，然后可以使用透明時鐘將時間分配給室內單元。

目前已可供應PHY和交換芯片解決方案，它們包括用于補償網絡PDV和非對稱的時間戳標記糾錯。這可以支持TC和BC節點在小基站網絡中實現相位提供所要求的精度。Vitesse Semiconductor在其SynchroPHY GbE和10GbE PHY產品及以太網交換機引擎產品組合中使用的VeriTime™ 技術，包括納秒級精度的時間戳標記糾錯和非對稱補償機制，即使是在微波鏈路中非常具有挑戰性的情況下也可以正常工作，有望在小蜂窩部署中普遍采用。Vitesse Serval™ 交換產品系列的最新成員是六端口Serval Lite（VSC7416）交換機，它專門針對采用低功耗和小外形尺寸解決方案的小蜂窩應用而進行了優化，包括了一整套多樣化的電信級以太網功能和VeriTime技術。

結論

綜上所述，在可能包括微波或毫米波鏈路的網絡中，小蜂窩基站將需要采用1588來為網絡提供高度精確的同步。一個TC節點只需要準確的時間戳標記和時間戳糾錯機制；盡管BC節點功能更強，但實現起來復雜而昂貴。因此，在網絡向LTE-A和未來小蜂窩網絡升級時，性價比最高的方式是在各處部署分布式TC，只有在必要的段時間域采用BC來增強。正如Vitesse近期提交給ITU-T標準委員會的提案所描述的那樣，使用精確的時間戳標記可以將授時精度提高到納秒級。而當今芯片已實現的進步將可確保這些解決方案只是在今天為3G網絡設計的非1588感知系統上僅有一個名義上的價格提升。

作者：Uday Mudoi，Vitesse Semiconductor

作者簡介

Uday Mudoi現任Vitesse Semiconductor產品營銷總監，他獲得了印度理工學院卡哈拉格普爾分校（Indian Institute of Technology, Kharagpur）電機工程理學士學位、美國北卡羅萊納州立大學羅利分校（North Carolina State University, Raleigh）的計算機科學碩士學位，以及位于美國紐約州紐約市的哥倫比亞大學（Columbia University, New York, N.Y.）工商管理碩士學位，可通過uday#vitesse.com與他取得聯系。

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